[論文レビュー] Materials and devices for fundamental quantum science and quantum technologies

Marco Polini, Francesco Giazotto+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 13

ひとこと要約

この見解は、スケーラブルな量子技術に向けた進化した材料—超伝導膜、ファンデルワールスヘテロ構造、モアレ量子物質—をレビューする。高コherenの量子ビット、量子センサー、エネルギー効率の良いアーキテクチャの分野での進展を強調し、量子コンピューティング、シミュレーション、センシング、熱力学分野における材料主導の進展を重視する。

ABSTRACT

Technologies operating on the basis of quantum mechanical laws and resources such as phase coherence and entanglement are expected to revolutionize our future. Quantum technologies are often divided into four main pillars: computing, simulation, communication, and sensing & metrology. Moreover, a great deal of interest is currently also nucleating around energy-related quantum technologies. In this Perspective, we focus on advanced superconducting materials, van der Waals materials, and moir\\'e quantum matter, summarizing recent exciting developments and highlighting a wealth of potential applications, ranging from high-energy experimental and theoretical physics to quantum materials science and energy storage.

研究の動機と目的

• スケーラブルで高コherenの量子システムを可能にする新規材料およびデバイスプラットフォームを特定・分析すること。
• 材料科学が量子コンピューティング、シミュレーション、センシング、通信分野をどのように前進させるかを検討すること。
• 次世代量子デバイスにおける量子力学的資源とエネルギー効率の間の相互作用を強調すること。
• 冷害原子や捕獲イオンを除き、材料に焦点を当てた第二の量子革命の見解を提供すること。
• 実用的で大規模な量子技術を実現するための材料工学の重要性を強調すること。

提案手法

• 超伝導キャビティ、2次元ファンデルワールスヘテロ構造、モアレ量子物質の3つの主要な材料クラスにおける最近の発展をレビューすること。
• 3次元超伝導キャビティおよびトランスモン量子ビットなどのデバイスアーキテクチャを分析し、コherenスケーラビリティを向上させること。
• デコherenスを低減し、量子ビット性能を向上させるために、不純物を含む高臨界温度（Tc）超伝導膜の使用を評価すること。
• 遷移金属ジ chalcogenides やグラフェンなどの2次元材料を、チューナブルな量子デバイスおよび強い電子-振動子結合を実現するために検討すること。
• ねじれた二層グラフェンにおけるモアレスーパーラティスを調査し、相関する量子相およびトポロジカル状態を生成すること。
• パルスリサイクリングやエラー補正ドライブ方式といったエネルギー効率の良い設計を評価し、量子システム全体の消費電力を低減すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして高度な超伝導材料が超伝導量子ビットにおけるコherenスとスケーラビリティを向上させるか？
• RQ2 ファンデルワールスヘテロ構造は、チューナブルで低損失の量子デバイスを実現するために果たす役割は何か？
• RQ3 モアレ量子物質系は、出現する相関的およびトポロジカルな量子相をどのようにサポートするか？
• RQ4 量子材料は、量子コンピューティングアーキテクチャにおけるエネルギー消費をどのように低減できるか？
• RQ5 量子力学的効果は、量子デバイスにおけるエネルギー貯蔵および効率をどのように向上させるか？

主な発見

• 表面積体積比が低い3次元超伝導キャビティは、誘電体損失を顕著に低減し、量子ビットのコherenスを向上させる。
• 高Tcおよび不純物を含む超伝導膜は、デコherenスの低減と頑健な量子ビット動作の実現に有望である。
• ファンデルワールスヘテロ構造は、強い電子-振動子結合を実現し、量子コンデンサの静電容量を向上させる。
• ねじれた二層グラフェンにおけるモアレスーパーラティスは、相関的絶縁体および超伝導状態を宿し、トポロジカル量子現象を可能にする。
• パルスリサイクリングおよびエラー補正ドライブ方式により、量子コンピュータにおける1ゲート操作あたりの平均消費エネルギーを低減できる。
• 大規模量子システムにおけるエネルギー最小化制約は、スケール依存のノイズを引き起こすため、包括的なエネルギー最適化の必要性が浮き彫りになる。